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1、第三章第三章 输入输入/ /输出通道和接口技术输出通道和接口技术第一节第一节 工业控制常用传感器工业控制常用传感器第二节第二节 模拟量输入模拟量输入/ /输出通道输出通道第三节第三节 模拟量输入模拟量输入/ /输出通道的输出通道的 设计设计第四节第四节 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道学习指导和要求学习指导和要求n n掌握掌握模拟量输入模拟量输入/ /输输 出通道的组成；出通道的组成；n n学会模拟量输入学会模拟量输入/ /输输 出通道的设计方法；出通道的设计方法；n n掌握开关掌握开关量输入量输入/ /输输 出通道的构成和步进出通道的构成和步进 电机的控制方法。电机的控制方法。在工
2、业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。 模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采 集，放大，采样保持，集，放大，采样保持，A/DA/D转换等步骤，将模拟量转换为数字转换等步骤，将模拟量转换为数字量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来控制执行机构的执行。控制
3、执行机构的执行。上述转换过程需要用模拟量输入上述转换过程需要用模拟量输入/ /输出通道来实现。输出通道来实现。 开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。开关量的输入开关量的输入/ /输出较模拟量简单，计算机只需判断输输出较模拟量简单，计算机只需判断输 入信息是入信息是“ “0”0”还是还是“ “1”1”，即可知道开关的状态；若控制某个继，即可知道开关的状态；若控制某个继 电器工作，只需经过输出通道送电器工作，只需经过输出通道送“ “0”0”或或“ “1”1”即可。即可。工业现场存在着电、磁、震动、温度变化等干扰，各类工业现场存在着电、
4、磁、震动、温度变化等干扰，各类 执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入/ /输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。输入输入/ /输出通道和接口是计算机与被控对象进行信息交输出通道和接口是计算机与被控对象进行信息交 换的纽带，本章将重点介绍输入换的纽带，本章将重点介绍输入/ /输出通道和接口的组成和输出通道和接口的组成和设计方法。设计方法。第一节第一节 工业控制常用传感器工业控制常用传感器传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相应的其
5、它量的器件或装置。应的其它量的器件或装置。在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电 量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。传感器精度的高低会影响计算机控制系统的精度，选择传感器精度的高低会影响计算机控制系统的精度，选择合适的传感器是非常重要的。合适的传感器是非常重要的。1 1、 传感器的分类传感器的分类传感器的分类方法很多，但常用的有两种：一种是按被传感器的分类方法很多，但常
6、用的有两种：一种是按被 测参数分类，另一种是按转换原理进行分类测参数分类，另一种是按转换原理进行分类. .按被测参数分，传感器有以下类型：按被测参数分，传感器有以下类型：（1 1）热工参数）热工参数 温度、热量、压力、流量、真空度、液位等温度、热量、压力、流量、真空度、液位等（2 2）机械量参数）机械量参数 位移、力、速度、重量、尺寸等位移、力、速度、重量、尺寸等（3 3）物性参数）物性参数 比重、浓度、酸碱度、成分等比重、浓度、酸碱度、成分等（4 4）状态量参数）状态量参数 颜色、透明度、裂纹、泄漏等颜色、透明度、裂纹、泄漏等按转换原理分类，有电阻、电容、电感、电压、霍尔、光按转换原理分类，
7、有电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电等传感器。电等传感器。2 2、传感器的构成、传感器的构成传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成（1 1）敏感元件）敏感元件 能够敏锐感受某种不能直接测量的信能够敏锐感受某种不能直接测量的信息，并将其转换为可测量的非电量器件。息，并将其转换为可测量的非电量器件。（2 2）转换元件）转换元件将非电量转换成电量的器件。将非电量转换成电量的器件。敏感元件敏感元件 转换元件转换元件 非电量非电量电量电量3 3、 传感器的主要技术指标传感器的主要技术指标在选择传感器时，要注意以下的主要技术指标：在选择传感器时，要注意以下的主
8、要技术指标：（1 1）输入特性）输入特性l l 量程量程 测量上限与下限的差测量上限与下限的差l l 过载过载 超出传感器测量范围的最大允许输入值超出传感器测量范围的最大允许输入值（2 2）静态响应特性）静态响应特性l l 精度精度 测量结果与测量结果与“ “真值真值” ”的靠近程度的靠近程度l l 分辨率分辨率 对被测量相对变化的最高反应能力对被测量相对变化的最高反应能力l l 灵敏性灵敏性 输出量变化值与相应输入量变化值之比输出量变化值与相应输入量变化值之比l l 稳定性稳定性 在一个较长时间内保持性能参数的能力在一个较长时间内保持性能参数的能力（3 3）动态特性）动态特性动态特性是指被测
9、量在变化时，传感器的输出量是否能动态特性是指被测量在变化时，传感器的输出量是否能追随输入量的变化，分为阶跃响应和频率响应两类，可根据追随输入量的变化，分为阶跃响应和频率响应两类，可根据 其特性曲线的特征值来判定。主要的指标是时间常数其特性曲线的特征值来判定。主要的指标是时间常数 ，上升，上升 时间时间T Tr r ，建立时间，建立时间T Ts s ，过冲量，过冲量 ，衰减比，衰减比 等。等。4 4、选用传感器的一般规则选用传感器的一般规则（1 1）与测量条件有关的事项）与测量条件有关的事项测量的目的、被测量的类型、测量的范围、测量所需的测量的目的、被测量的类型、测量的范围、测量所需的时间。时间
10、。（2 2）与传感器性能有关的事项）与传感器性能有关的事项静态响应特性和动态响应特性。静态响应特性和动态响应特性。（3 3）与使用条件有的事项）与使用条件有的事项场所、温度、湿度、是否与其它设备相连、外界干扰、功率场所、温度、湿度、是否与其它设备相连、外界干扰、功率容量、外形尺寸、重量等。容量、外形尺寸、重量等。（4 4）其它）其它传感器的性能价格比、生产厂家的服务、交货时间、保修传感器的性能价格比、生产厂家的服务、交货时间、保修时间、零配件的供应等。时间、零配件的供应等。5 5、几种常用的传感器分类、几种常用的传感器分类表表5-25-2列出了几种常用传感器的分类，在设计计算机控制系列出了几种
11、常用传感器的分类，在设计计算机控制系统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器。统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器。AYTD-30A电流传感器采用霍尔效应、磁平衡电路设计，用于测量直流和交流电流。主要技术参数：输入IN 输出IOUT 精度 线性度 零点 外形尺寸 电源 重量0-30A 0-100MA 0.5% 0.2% 可调 45*36*42 15V 50g霍尔电流传感器的工作原理：当电流通过导线时，导线周围产生磁场，可通过软磁材料收集，并用霍尔器件进行检测。根据磁平衡原理，主回路有电流IP流过时导线周围产生磁场，用聚磁环收集磁场并感应霍尔器件，经放大后获得补偿电 流I
12、A，当补偿电流IA产生的磁场与主回路电流IP产生的磁场相反 时会达到磁平衡，其公式为 NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA， 可求出IP。第二节 模拟量输入/输出通道一、模拟量输入通道当被控对象的参数为模拟量时，由传感器和检测电路采集 到的信号经转换后仍是模拟量，而且信号的输出比较小，不能 直接送入计算机进行处理。在被控对象和计算机之间必须设置信息调理和转换的模拟 量输入通道，进行信号放大，滤波、A/D转换等工作。图5-10为多路模拟量输入通道的原理框图。模拟量输入通 道一般由：信号调理装置、多路开关、采样保持和A/D转换组成。它的任务是将传感器检测到的模拟信号，转换为计算机需 要的
13、数字信号。（一）信号调理装置信号调理装置量一般包括放大、信号转换、滤波等。1、信号的放大传感器检测到的模拟信号较弱，有很大的干扰电压。随着电子技术的发展，目前放大电路除了常规的运算放大器 外，还研制了许多新型放大器。仪器放大器 隔离放大器 量程自动增益放大器等这些新型放大器的输入阻抗高，零点漂移小，可靠性高并 且使用方便，因此在工业控制领域得到广泛的应用。（1）仪器放大器 美国B-B公司生产的INA101是一种典型的仪器放大器，能 够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和 热电阻温度传感器的放大。 INA101的特点是： 低漂移，最大值为0.25uV/ 非线性误差小 输入阻抗高 共
14、扼抑制比高 低噪声INA101使用方便，除了放大增益电阻外，一般不需要其 它附加器件，应当选用低温度系数的精密电阻，可提高器件 的稳定性。（2）隔离放大器可消除回路、静电及电磁干扰。有变压器耦合和光电耦合 两种。变压器耦合：被测信号经滤波放大后调制为交流信号加到变压 器的输入端，经变压器耦合到输出部分后，再经解调后输出。 电路简单价格低廉，但体积较大。（AD公司Model 277)光电耦合：输入和输出的信号耦合通过发光管LED和光电管D 之间的光传输实现，其优点是体积小、频带寛、成本低。(B-B 公司ISO100)（3）可编程增益放大器（PGA）放大倍数可通过编程进行控制，通过程序可调节放大的
15、倍 数，使A/D转换的输入信号均一化，提高测量的精度。（B-B公 司PGA102、PGA202/203）2、信号的变换在微机控制系统中，许多传感器的输出均为电压信号 ，而有些电动组合仪表的信号为4200mA的电流，许多执 行器，如电机、控制阀门的输入信号也采用4200mA的电 流，因此经常需要V/I和I/V间的变换。目前常用的电压/电流变换电路有两种，一种是采用 分立元件、运算放大器和阻容元件组成的电路；另一种是 近年来发展起来的专用集成电路。3、信号的滤波生产现场存在着各种干扰，如果不加处理会影响控制 系统的控制精度。可采用滤波电路来抑制进入输入通道的 干扰。在选择滤波器时，要考虑被测信号的频率的特性， 以及干扰信号的频率和所要求的抑制程度。对环境引起的 噪声干扰，可以采取补偿和屏蔽等措施减少信号的误差。010V 12.5K 1K50KOPOP+15VREF REF 1010INA105INA105420MA420MA10V010V/420mA010V/420mA转换电路转换电路505
